数字升压型功率因数校正转换器的分析与设计

3 控制器设计与负载电流注入法
设计一个高功率因数升压型AC/DC转换器，其规格为输入电压90~130Vrms、输出电压312V、最大输出功率450W。元件参数为电感L=1Mh，输出电容Co=848uF，负载RL=216，功率开关切换频率fs=100kHz。


高功率因数升压型转换器的内回路电流控制方框图如图6所示，脉冲宽度调制等效增益为1/10;将电气型号与元件参数值代入式(9)可得：

(21)
设计的电流控制器CI(S)为PI控制器GI(s)＝0.4＋900/s (22)
得到内回路电流控制系统频率与响应，系统的频宽为1.33Hz，满足内回路系统频宽远大于120kHz的要求。


高功率因数转换器的外回路电压控制系统方框图如图7所示，为了使输入电压V0不受输入电压Vm幅值变动及负RL载变动的影响，设计稳压控制器Cv(s)，以达到稳压性能。实际中降压比Kv=1/39、Kf=1/104，调整比Km=1000，代入公式(20) 得:

(23)
设计稳压控制器Cv(s)为积分器与相位超前控制器的组合

(24)
可得外回路电压控制系统频率响应的波特图如8所示，系统的频宽约为74.9rad/s=11.9Hz，满足步阶响应的稳态误差为零及外回路系统频宽在10Hz~20Hz的要求。


为实现数字控制，将控制器传递函数转换成离散时间状态的空间表示式，在取样频率为6kHz下，得到电流控制器为：

(25)

(26)
同样地，在取样频率为2kHz下，可得电压控制器离散状态空间表示为：

(27)

(28)
在外回路电压控制器设计上，为减少控制器信号与乘法器信号受120Hz输出电压的影响，降低了功率因数的性能，所以外回路系统的频宽通常设计在10Hz~20Hz之间。因此，在负载变动时，输出电压很难恢复至稳压状态。本文利用负载电流注入法将负载电流状态作为控制反馈，以改善输出电压的暂态响应。负载电流注入法是将负载电流接入控制回路，当负载发生变动时，立刻产生稳态输入电流的参考信号，改善外回路电压控制器缓慢的动态响应。
4 数字控制系统试验验证
以16位数字信号处理器DsPIC30F4011为基础，完成数字控制高功率因数升压型转换器的设计。在试验验证过程中，输入电压90~130 Vrms、输出电压312 V、最大输出功率450 W的高功率因数升压型AC/DC转换器。试验测量结果如下：


图9为输入电压110Vrms、输出功率450W时，输入电压Vin和电流iin的实际波型，利用万用表测量的功率因数值为0.968，说明了该设计系统的高功率因数特性。


随后，对系统输出电压的稳压性能进行测试，针对输入电压从110 V变动到130 V，再从110 V变到90 V，输出的电压响应如图10(a)。当负载从250 W变动到450 W时，输出的电压响应如图10(b)。当额外加入负载电流且负载变动同时发生时，输出的电压响应如图10(c)。比较图10(b)和10(c)，图10(c)的输出电压变动较小时，负载电流注入法具有较高的稳压效果。当Vin=110 Vrms时，针对不同输出功率，测得高功率因数升压型转换器的功率因数曲线如图11(a)所示，在Po=450W时，功率因数最高可达0.966。针对不同输出功率，测量高功率因数升压型转换器的效率曲线如图11(b)所示，在Po=450W时，效率最高可达92.2%。

5 结论
本文以升压型转换器为AC/DC功率因数校正整流器的基本结构，以数字信号处理器DsPIC30F4011为控制核心，应用主动式功率因数校正技术的平均电流控制法，使平均输入电流随输入电压波形变化，以提高功率因数性能。利用负载电流注入控制法，改善输出电压动态响应较慢的缺点。最后设计输出功率为450W的高功率因数升压型转换器并进行试验，试验结果表明，该功率因数升压型转换器符合电流谐波的高功率因数特性，并且在输入电压幅值变动及负载变动时，输出具有良好的稳压特性。

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